基于RLC振荡电路的电磁超声换能器激励研究

　　EMAT(Electromagnetic Acoustic Transducer)即电磁超声换能器是一种新型的超声发射、接收装置,由于其具有在检测过程中可以不与被检材料表面直接接触,且无需加入声耦合剂、检测速度快、重复性好、耐高温、适宜对特殊形状材料的检测等众多优点而在无损检测领域受到越来越多的关注.产生电磁超声激励的传统方法是由信号源产生脉冲信号,通过功率放大,再送给线圈作为激励.这类方法存在的问题是电流放大时的功耗很大,同时由于线圈耐热能力的限制也会影响超声信号的激发强度.因此,本文中提出采用RLC振荡电路中电容放电的方式来产生强电流脉冲作为线圈激励的方法.该方法具有能量集中、瞬时电流峰值高和发热量小等优点,有利于超声信号强度的提高[1].

　　1 EMAT基本原理

　　电磁超声是由激励源在金属材料中产生涡流,涡流在定向磁场作用下产生洛伦兹力,材料质点受洛伦兹力作用发生振动,从而激发超声波,并利用超声波对铁磁材料表面和近表面进行无损检测.

　　2 电路参数的理论选取

　　通过对RLC电路分析可知(如图1所示),要得到较为理想的信号作为脉冲电磁超声的激励,应合理选择电路参数,使RLC脉冲放电电路工作在欠阻尼状态下,产生的信号频率要高于20 KHz,信号的电流峰值应尽量高,信号衰减的不能过快.以下着重从理论上分析“欠阻尼情况”下产生的交变信号与各电路参数间的关系.

　　2.1 电路中总电阻值R

　　首先电路中的总电阻值应满足的条件;从衰减系数A来考虑,a=R/2L.因A越大, UC(t)的衰减越快,为保证脉冲电磁超声激励信号具有一定的持续性,应使电路中的总电阻值R尽量小,以便激励信号衰减的不至过快[2].

　　2.1.1 从信号频率f角度考虑.由于:

　　可见频率f与电阻R成反比.由于最终要激发的是超声波信号,因此激励信号频率f要高于20 KHz,所以电阻R需保证f>20 KHz.另外若要提高激励信号的频率也需减小电阻R.

　　2.1.2 从电流峰值im角度考虑.由于有:

　　可以看出,减小R可使im增大.从能量守恒分析,电容储能为WC,电感储能为WL,每次放电开始至达到电流峰值的有功损耗为WR,三者间关系为:

　　式中:Um为电流到达峰值im时电容两端的电压.可以看出,应尽量减小电阻R,从而减小放电时的有功损耗,得到较大的im[3].

　　2.2 电感值L

　　2.2.1 从衰减系数A来考虑.由于.可见适当的增大电感L的大小可以使A减小,从而减缓信号的衰减.

　　2.2.2 从电流峰值im来考虑.由可以看出,L值的增减对峰值im影响较大.降低电感L对提升脉冲电流峰值有利.